金属管道瞬变电磁检测有限元分析

XX大学毕业设计（论文）题 目： 金属管道瞬变电磁检测有限元分析 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六月 金属管道瞬变电磁检测有限元分析摘要：众所周知，金属管道已被广泛应用于石油、天然气、水等资源运输，但是随着管道使用年限的增金属管道的侵蚀已不可避免。侵蚀将会极大的缩短管道的使用年限。瞬变电磁法利用瞬变电磁手段评估金属管道的剩余壁厚，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。因为瞬变电磁检测法具有简单易行、信息量丰富、耦合噪声小等优点，并可实现在役、非开挖检测，瞬变电磁检测法已经被越来越多的应用于埋地金属管道检测。 ANSYS是专业的有限元分析软件，其功能强大在多领域多变工程问题的求解有着广泛的应用。它可以非常方便的对各种实际中的工程问题进行建模和求解，并可以直观地体现目前还不易观测、任何试验都无法看到的发生在构造内部的一些物理现象，且ANSYS的仿真结果与实际十分接近，于是可以利用ANSYS仿真瞬变电磁法对金属管道的检测，为瞬变电磁检测金属管道的机理提供依据。关键词：瞬变电磁检测，金属管道，有限元分析，ANSYS Metal pipes Finite Element Analysis of Transient Electromagnetic DetectionAbstract:As we all know, the metal pipe has been widely used in petroleum, natural gas, water, transportation and other resources, but with the age increase pipeline corrosion of metal pipes have been inevitable. Erosion will greatly shorten the life of the pipeline. TEM method using transient electromagnetic means to assess the remaining wall thickness of metal pipes, is based on the principle of electromagnetic induction time domain electromagnetic method for detecting an artificial source establishment. Because transient electromagnetic detection method is simple, informative, coupling noise, etc., and can be implemented in-service, non-excavation detection, transient electromagnetic detection method has been used more and more buried metal piping testing. ANSYS is a professional finite element analysis software, its powerful and varied in many fields of engineering problems to solve with a wide range of applications. It can be very convenient for a variety of practical engineering modeling and solving problems, and can be directly reflected yet easy observation, we can not see any trial takes place in the internal structure of a number of physical phenomena, and ANSYS simulation results of the actual very close, so you can use ANSYS simulation of transient electromagnetic method to detect metal pipes, provide the basis for the mechanism of transient electromagnetic detection of metal pipes.Keywords: Transient Electromagnetic method, Metal pipes, Finite Element Analysis，ANSYS目 录1 绪论1.1 瞬变电磁检测发展及研究现状（1）1.2 埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势（2）2 瞬变电磁理论分析2.1 瞬变电磁法检测基本原理（4）2.2 时域电磁场的理论基础（4）2.2.1 微分形式的麦克斯韦方程（4）2.2.2 积分形式的麦克斯韦方程和电磁场的边界条件（5）2.3 瞬变电磁检测法信号的分析（7）2.3.1 瞬变电磁信号的动态范围（7）2.3.2 瞬变电磁信号的衰减特性和频带（7）2.3.3 瞬变电磁信号的取样（8）2.4 瞬变电磁法常用的激发场波形（8）3 有限元分析方法及ANSYS简介3.1 有限元分析方法简介（10）3.2 有限元分析法的特点（10）3.3 ANSYS简介（10）4 埋地金属管道的ANSYS三维仿真分析4.1 创建埋地金属管道三维模型的物理环境（12）4.2 三维仿真模型的建立（13）4.3 三维仿真模型的网格划分（16）4.3 施加载荷及边界条件（17）4.4 求解及后处理过程（18）4.5 三维管道模型仿真结果分析（20）4.6 不同壁厚的金属管道仿真结果分析（21）5 总结参考文献（25）致 谢（26）金属管道瞬变电磁检测有限元分析1 绪论1.1 瞬变电磁检测发展及研究现状瞬变电磁检测技术的应用始于20世纪30年代，当时瞬变电磁检测法是由前苏联科学家1提出被用于完善解决地质结构问题。从这以后前苏联科学家经过近三十年坚持不懈的努力，TEM（Transient Electromagnetic Method)的一维正演和反演被成功推到出。从这以后TEM发展十分迅速，随着瞬变电磁检测法的诠释理论和实践理论的建立，瞬变电磁检测法已经进入了实用阶段2。 国外，自从二十世纪70年代以来，通过利用瞬变电磁法，前苏联科学家开展了大量的实验工作。除此之外，大洋洲和北美等国的科学家也在瞬变电磁的理论和实践两方面做了研究，这使得瞬变电磁法的应用得到了迅速的发展。此时，TEM已经在军事检测、考古检测、油气勘探、工程勘察和环境调查等多方面有着广泛的应用34；与此同时，在TEM仪器设备方面也取得了很大的成功，一些著名的全球仪器仪表公司也先后推出了不同种类的瞬变电磁检测仪器。例如美国ZONGE公司生产的GDP-32系统；澳大利亚SIROTEM仪器等。这些仪器的最大的特性就是瞬变电磁检测系统的接收机能够实现全智能化，这使得TEM系统能够形成多功能的工作平台。国内，对于瞬变电磁检测法的探索兴起于上个世纪七十年代，中南大学和地矿部物化探研究所等机构率先对瞬变电磁法进行了研究。在一维和二维正演5和反演、瞬变电磁理论的研究、野外实验和仪器的研制等方面它们做出了很大的贡献。与此同时，有关TEM方面的书籍也随之涌现出来，例如牛之琏编著的时间域电磁法原理6和王长清、祝西里编著的瞬变电磁场的理论和计算等。近年来由于国内市场的需要，国内TEM仪器的发展也十分迅速。廊坊物化探研究所研制的IGGETEM系列瞬变电磁仪，中南大学的SD系列瞬变电磁仪器，吉林大学研制的ATEM系列瞬变电磁仪等。经历了二十多年的发展，国内的瞬变电磁检测法已经在灾害、环境监测和工程检测等方面有了广泛的应用。在工程勘探范畴的应用研究，国内对此方面的研究变得越来越活跃，利用瞬变电磁法检测地下的矿物质一直以来都是很重要的途径。另外在检测石油运输管道腐蚀78状况方面，国内的王淑英和黄桂柏，通过对输油管道的实地检测，成功的验证了瞬变电磁法能够检测埋地输油管道的腐蚀状况，但是瞬变电磁检1测法在对埋地金属管道小面积的比较严重的点状腐蚀的检测灵敏度还比较低，检测的准确性较低。尽管杂散电流和外界磁场等外界条件对检测的结果具有较大的影响，对于埋地金属管道的瞬变电磁检测这已经有了长足的进步。瞬变电磁检测的方法在对埋地金属管道腐蚀状况的检测过程中可以试验不停输和不开挖的在役检测，对金属管道以及金属管道内传输的物质对没有要求，检测的结果都能够直观的显示埋地金属管道的腐蚀状况。尽管在广大科技工作者的共同努力下，瞬变电磁法有了很大的发展，但我们必须认识到在瞬变电磁的理论和计算，TEM仪器研制等方面与国外还是有着不小的差距，对此我们仍需要付出更多的汗水和努力，进一步缩小与国外的差距。1.2埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势周围土壤的腐蚀和杂散电流的腐蚀是造成埋地管道腐蚀的主要外界条件，长期的腐蚀会造成埋地金属管道穿孔现象的发生，这将会极大的缩短埋地金属管道的使用寿命。因此，埋地金属管道腐蚀状况的检测技术水平的高低对延长管道的使用寿命以及保证工业顺利生产有着非常重要的影响。在实施瞬变电磁法时，具有空间的可分性和时间的可分性9。空间的可分性具体指的是，无论是什么性质的脉冲都能够被分解为不同的频率的余玄信号之和，不同的延时时刻所检测到的频率是不同的，所以在不同的时刻场在埋地金属管道内的传播速度不同，检测的深度也会有所不同。时间的可分性具体指的是，由于检测是在电源信号关断以后的时间段进行的，并且也只能解析脉冲间隙时间段内的数据，因此也就去除了一次磁场的干扰。因为上述两种可分性，瞬变电磁法检测埋地金属管道与其它的方法相比较具有的特点有：（1） 在评估埋地金属管道的腐蚀程度时，瞬变电磁检测法是在埋地金属管道所覆盖的土壤上方直接检测埋地金属管道的缺陷，因此瞬变电磁检测法能够实现不开挖、在役检测，这样便可极大的缩短更换和修复的时间，提高检测的效率。（2） 瞬变电磁检测法检测埋地金属管道的噪声信号主要来自于自然电磁场和人文电磁场，提高发射功率不仅可以增大信噪比10，而且也能够提高检测的灵敏度。从而，可以达到提高检测深度的目的。（3） 瞬变电磁检测法对激励线圈的方位和形状并没有严格的要求，可依据实地的检测条件调整检测装置的结构，因此TEM检测埋地金属管道具有灵活、工作简单，工作效率高等优点。 总而言之，瞬变电磁法检测技术是一种非接触式信号加载信号的新兴检测技术，1将其应用于检测埋地金属管道，能够实现埋地金属管道检测的不开挖、在役检测，具有简单易行、检测精度高等特点，该技术具有非常广的应用前景。2 瞬变电磁理论分析2.1 瞬变电磁法检测基本原理 瞬变电磁法基于电磁感应原理，它以电磁的差异作为依据，通过不接入地的回线装置向地下发射一次磁场，在一次场的间歇时间段内，通过接受装置测量出二次磁场随时间的变化，以此来达到探测地下介质的分布特征和性质。如图2-1所示。图2.1 瞬变电磁法检测原理2.2 时域电磁场的理论基础2.2.1微分形式的麦克斯韦方程 自上个世纪以来，麦克斯韦（Maxwell)归纳了电磁学的各项研究成果，创建了论述宏观电磁场运动规律的方程组，由此奠定了宏观电磁场的理论基础，一个多世纪来，成千上万的电磁场工程和科学实验实践并没有发现与麦克斯韦方程组相违背的例子，这便使得人们坚定不移地相信，通过麦克斯韦电磁场理论，用来解决不同类型的宏观电磁场问题是可行的。在麦克斯韦方程组中，电磁场特性主要由四个物理参量来表示，因为电磁场本质上为矢量场，所以上述的4个物理参量均是矢量，分别用E、D、H和B表示,其中：E称为电场强度（单位为V/m），D称为电通量密度或电位移矢量（单位为C/m2),H称为磁场强度（单位为A/m),B称为磁通量密度或磁感应强度（单位为Wb/m2)。从本质上讲，带电粒子运动产生的电流以及其空间的分布是宏观电磁场产生的根本原因。一个电子带有的电荷量是电量的最基本的单位，所以电荷量的变化是不连续的，当然其空间分布也是不连续的。电磁场也被定义为分立的光子，它也是不连续的。宏观尺度是宏观电磁场成立的必要条件，因此场量和电量的分立特性在宏观尺度下都是可以忽略的，在空间和时间上他们也都被认为是连续的。在绝大多数情况下，表示电磁场的各物理参量一般都是时间t和位矢r的函数。在连续媒质的空间中，当宏观尺度条件能够被满足时，则可以假设场是r和t的连续函数并且此时具有连续的导数。作为电磁场的源或被电磁场所诱导电荷密度（单位为C/m3)和电流密度J（单位是A/m2)也假定为r和t的连续函数。在上述条件下，麦克斯韦方程组有如下形式：（2.2.1）（2.2.2）（2.2.3）（2.2.4）其中和J还应满足表征电荷守恒定律的连续性方程，（2.2.5）对于时变电磁场，以上5个方程中只有3个是独立的。例如，方程（2.2.3）和（2.2.4）可由方程（2.2.1）、（2.2.2）和（2.2.5）导出。当电磁场的运动规律能够被数学形式表征出来时，这其实就已经对电磁场中所包含的物理参量作了某种性质上的假定，这样便能够保证完成所必需的数学计算。一般来说，在电磁场中被假定的物理参量并不是无穷的，并且它们有足够的可微性和连续性，因此它们可以自由地交换积、微分的顺序，特殊的例子只有在媒质不连续的情况下才会出现。在遇到特殊的例子时应进行特殊处理。2.2.2 积分形式的麦克斯韦方程和电磁场的边界条件 麦克斯韦方程组的微分形式表征了电磁场的区域性质，仅仅在介质连续的区域才适用，因为微分运算对被积函数的要求比积分对函数的要求更高。考虑空间中的一个有限区域，其体积为V，表面为S，A为S的一部分，A的边界为为C。对于V内有定义的矢量函数F，有如下的高斯（Gauss)定理和斯托克斯（Stokes)定理成立， (2.2.6) (2.2.7) 对方程（2.2.1）和（2.2.2）在A上进行积分，再利用方程（2.2.7），对方程（2.2.3）和（2.2.4）在V上进行积分，在利用方程（2.2.6），就可以得到 (2.2.8)(2.2.9)(2.2.10)(2.2.11) 这就是麦斯威尔方程的积分形式。 麦克斯韦方程组的积分形式是对电磁场的全区域的描述，它表征的是在某一个区域中电磁场的总体性质。确切的来说，只有在分布论的意义上积分形式和微分形式才可以互相转换。由于他们所表达的电磁场特性的角度不同，因此各有不同的作用。因为麦克斯韦方程组的积分形式适用于介质的不连续处，所以将其应用于导出介质不连续处场量应满足的关系是可行的，这就是电磁场的边界条件。求解微分形式的麦克斯韦方程组必须满足磁场的边界条件。假定有介质1和介质2构成的突变交界面，分别用下角标1和2表征相对应介质中的场量，n表示交界面上由媒质2指向媒质1的法向单位矢量，则由方程（2.2.8)（2.2.11）可导出交界面上场量应满足的边界条件11，(2.2.12) (2.2.13) (2.2.14) (2.2.15) 其中Js为交界面上的面电流密度，s为交界面上的面电荷密度。一般来说，我们会把一些条件理想化，这样就会使得一些问题得到简化。例如，当导体的导电性能良好时，我们可以把导体的导电率近似的看作为无限大，并成为理想导体。如果用E、H、D和B表示导体外面的场量，则对理想导体可得如下的边界条件：(2.2.16)(2.2.17)(2.2.18)(2.2.19)如果求解区域是开放的，则需要给出电磁场在无穷远处需满足的条件。基于场能的有限性要求，场必须满足辐射条件。2.3 瞬变电磁检测法信号的分析 依据法拉第电磁感应定律，当发射线圈中的激励电流被瞬间关断后，地下的导体介质将会产生一个和一次磁场方向相同的感应磁场12，这个感应磁场也称为二次磁场。二次磁场的信号强度随着时间推移逐渐扩散衰减，这个扩散衰减的过程可以分为早、中、晚三个阶段。埋地金属管道某实验点的瞬变电磁响应如图2-2所示。图 2-2 埋地金属管道某实验点的瞬变电磁响应曲线2.3.1 瞬变电磁信号的动态范围 瞬变电磁信号的动态范围13很大，从一开始的1105uv变到后期的0.1uv。信号的动态范围与地下导体介质电阻率有关，不同的电阻率介质具有不同的瞬变电磁响应。低电阻率的导体介质初始瞬变电磁响应幅度不大，但衰减速度比较慢；高电阻率的导体介质初始瞬变电磁响应幅度很大，但衰减速度比较快。信号的动态范围不仅与介质的电阻率有关，而且与瞬变电磁法所检测的试件埋深、大小和形状等因素有关。因为瞬变电磁信号的动态范围大，所以这就对仪器的分辨率具有较高的要求。特别是当所检测的信号处于后期的信号时。由于外部的噪声信号很容易覆盖较弱的瞬变电磁信号，因此对于后期的较弱的电磁信号需要采用有效的措施进行放大处理或者采用有效的信号处理技术。2.3.2 瞬变电磁信号的衰减特性和频带 瞬变电磁检测法的信号衰减速度14在不同的时期差异比较大，在早、中期这 两个阶段，信号的衰减速度比较快。然而相对于早、中两个阶段的衰减速度，晚期的信号衰减速度则显得比较慢。依据瞬变电磁的这种衰减性质，要想精确的测定信号的衰减性质，在对试验点采样时，必须要符合在相应的时间段内要取出足够多的采样点，采样点的类型决定了采样点的时间间隔。在早期和中期两个阶段，由于信号衰减的速度比较快，因此取样点的时间间隔应取得足够小才能够辨别出信号的衰减特性。对于晚期的信号特点，因为晚期这一阶段的信号衰减速度比较慢，所以在这一阶段取样点的时间间隔应取得宽一些。瞬变电磁检测法的信号频带较宽，其频率范围最高可以达到104赫兹。由于信号的频带范围很宽，这其中也包括各种杂质电磁噪声信号，因此必须对检测的信号数据进行滤波处理，并采用有效的方法用于增强仪器的抗干扰能力，除此之外，还应采用有效的手段对晚期较弱的电磁信号进行放大用于提高信噪比。2.3.3 瞬变电磁信号的取样 模拟积分取样、模拟积分-数字化叠加取样和数字化叠加取样是目前各种类型的TEM检测系统所采用的三种取样方式15。模拟积分取样指的是分时间段通过多个积分器在电路上采集电信号，这种方法的优点是采样的准确度比较高，但缺点是对电路的构造要求比较严格，电路设计的难度比较大。采用该方法所取出的信号的特点是采样的次数、采样的窗口宽度和采样的时间由时标信号确定，通常取样的次数和取样的时间是固定的；数字化叠加取样指的是经过取样保持电路后，首先对每个取样点的信号进行数字化处理，经处理的信号直接送入计算机内，在计算机内进行内处理后，最后再进行软件积分。这种方法的特点是电路简单、使用比较灵活，在计算机的内部可以通过各种方法进行处理，用于提高仪器的性能和检测信号的能力；模拟集成数字覆盖采样是上述两种方法相结合的抽样方法，结合这两种抽样方法的优点，其特点是早期延迟数据分辨率较低，数据精度晚延迟较高。2.4 瞬变电磁法常用的激发场波形 三角形波、方波、半正弦波、梯形波和伪随机波等激励信号是瞬变电磁法激励信号波形常用的多种周期性脉冲信号。依据傅里叶频谱解析理论我们知道，无论是哪一种脉冲信号都可以被分解为一系列具有不同频率的谐波信号。因此，无论是哪一种脉冲激励信号在导体介质中产生的信号都可以被看作是一系列具有不同频率的正弦信号所产生的响应之和。图2-3为目前常用的激励信号波形。 图 2.3 常用的激励信号理论波形和实际波形 (a)双极性矩形 （b)双极性梯形 (c)双极性半正弦 (d)实际发射波形 通过ANSYS有限元分析14软件对埋地金属管道建立三维模型15时，脉冲波形采用单个阶跃波。令激励信号序列的周期趋于无穷大，于是双极性矩形激励信号就能被转化为非周期的单阶跃波形。然而在实际的工作过程当中，因为激励线圈的电感、电容特性，输出的波形不可能是理想的，通常波形应呈指数上升，下降也应呈斜阶跃下降，如图2-3(d)所示。3有限元分析方法及ANSYS简介3.1 有限元分析方法简介 在确定分析对象的基本特性，并建立起其模型以后，有限元分析方法作为一种分析及计算方法，它可以被概括为如下三点： （1）将所要分析的对象分解为若干个单元，并通过单元边界上的节点把各个单元联接为一个整体。 （2）将全求解域内待求的未知场变量用各个单元内假定的近似函数来分片的表征。而用未知场函数在单元各个节点上的数值及与其对应的插值函数来表征每个单元内的近似函数。因为场函数在链接单元的接地啊上具有相同的数值，所以把它们作为基本未知量用于数值求解。这样便使得原待求函数的无穷多自由度的求解问题就被转化为场函数节点值的有限自由度求解问题。 （3）利用和原问题数学模型等效的加权余量法或变分原理，建立常微分方程组或代数方程组用于求解基本未知量。此方程组由规范化的矩阵形式所表征，此后可以用相应的数值分析方法求解该方程并得到原问题的解答。3.2 有限元分析法的特点 （1）复杂几何构形的适应性。因为单元在空间上可以被定义为一维、二维或者三维的，且每一种单元可以采用不同的连续方式也可以具有不同的形状。 （2）各种物理问题的适应性。因为全求解域的未知场函数被单元内的近似函数所表征，其并未设定限制场内方程的形式应满足相对应的条件，也未设置各个单元所对应的方程必须有相同的形式，所以它适用于各种物理问题，例如动力问题、屈曲问题、粘弹性问题等，而且其还可以被应用于不同类型复杂物理现象相互耦合的问题。 （3）严格理论基础上的可靠性。由于边界条件和微分方程的等效微分形式是加权余量法或有限元方程的变分原理，因此当原问题的数学模型是无误的，同时用于解析有限元方程的数值运算方法是可靠稳定的，则随着单元尺寸的缩小或是随着单元自由度数的增加，有限元分析方法求解的近似程度将不断地被提高。 （4）计算机实现的高效性。因为有限元分析方法的每一步都能够被表示为规范化的矩阵形式，这样便使得求解方程可以被看作是标准的矩阵代数问题，这种情况下特别符合计算机的执行和编程。计算机硬件技术的不断发展以及数值运算方法的更新换代，大规模的复杂工程的有限元分析已经被看作是工程技术领域的常规工作。3.3 ANSYS简介ANSYS是以有限元分析法为依据的CAE(Computer-aided Engineering)软件，它是由美国ANSYS公司所研发。ANSYS无论是在PC机、工作台亦或是巨型计算机都具有较好的兼容性，ANSYS文件在其所有的系列产品和工作平台上都可以运行。这就使得 ANSYS用户可求解多领域多变工程问题。它可以把电场、磁场、声场的分析融为一体，ANSYS现已被广泛应用于航天、土木工程、水利水电工程等领域。 ANSYS 主要由以下三个部分组成： （1）前处理模块(PREP7)前处理模块完成有限元分析法的前处理过程。其实质是为麦克斯韦方程组及相关方程组设置参数和初始条件。模块提供了强大的实体建模及网格划分工具，主要包括三部分内容：材料属性的定义及配置、实体建模和单元网格划分。 （2）加载和求解模块(SOLUTION)加载和求解模块完成有限元分析法的计算过程。用于对有限元模型选择分析类型、施加外界条件和载荷、确定载荷步、选择求解器并进行求解。 （3）后处理模块(POST1 和 POST26)。后处理模块完成有限元分析法的后处理过程。可以用图形方式显示模型结构内部的计算结果，比如：等值线显示、梯度显示、矢量显示、透明及半透明显示等，也可以图片、曲线形式显示或输出计算结果。4 埋地金属管道的ANSYS三维仿真分析4.1 创建埋地金属管道三维模型的物理环境（1） 过滤图形界面：从主菜单中选择Main MenuPreferences,弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Magnetic-Nodal”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。如图4.1所示： 图 4.1 选择图形界面（2）定义工作标题：执行菜单栏中的 Utility MenuFileChange Title,在弹出的对话框中输入“3D LYBS”，单击“OK”.（3）指定工作名：执行菜单栏中的 Utility MenuFileChange Jobname,弹出一个对话框，在“Enter new name”后面输入“LYBS_3D”，单击“OK”按钮。如图4.2所示： 图 4.2 定义工作名 （4）选择单元类型：从主菜单中选择 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,弹出“Element Types”单元类型对话框，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型对话框。在该对话框中左面滚动栏中选择“Magnetic-vector”,在右边的滚动栏中选择“Brick 8 node 97”,单击“OK”按钮，定义了一个“SOLID97”单元。如图4.3所示： 图 4.3 选择单元类型 （5）定义材料属性：从主菜单中选择Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models,弹出“Define Material Model Behavior”对话框。在右边的栏中连续单击“ElectromagneticsRelative PermeabilityConstant”后，又弹出“Permeability for Material Number 1”对话框。在该对话框中“MURX”后面的输入栏输入“1”，单击“OK”按钮。最后单击“MaterialExit”结束。这样便定义了空气的相对磁导率，如图4.4所示： 图 4.4 定义空气的相对磁导率 重复上述的步骤，分别定义管道、线圈、土壤的相对磁导率为350、1、5。同理可在主菜单中的“Material Models”中分别定义线圈的电阻率为3E-8欧姆/米，管道的电阻率为1E-7欧姆/米，土壤的电阻率为50欧姆/米。4.2 三维仿真模型的建立 自顶向下和自底向上是ANSYS中两种实体建模的方法。 （1）自顶向下自顶向下的建立模型指的是按照从体到面、从面到线、从线到点的顺序进行建模，因为线是由点构成，面是由线构成，体是由面构成，所以称这个顺序为自顶向下建模。 （2）自底向上自底向上建模与自顶向上建模正好相反，是按照从点到线，从线到面，从面到体的顺序建立模型，因为线是由点构成，面是由线构成，而体是由面构成，所以称这个顺序为自底向上建模。本次三维仿真模型的建立采用自顶向下的建模方法。依据自顶向下的建模方法，第一步先定义模型的最高级的图元，在三维仿真模型中需要定义线圈、卖地金属管道、空气以及土壤。当上述模型中的内容被定义以后，ANSYS会自动匹配相关的关键点、线和面。用户图形界面（Graphic User Interface 简称GUI）操作方式和参数化语言设计（ANSYS Parametric Design Language 简称APDL）方式是ANSYS的两种操作方式。GUI方式不要求掌握命令的使用格式和编程语言的使用规则等，用户可以只通过鼠标便可在图形界面上进行操作。GUI操作方式对于比较简单的有限元分析模型，操作速度或许会更快些。而对于比较复杂的、规模比较大的有限元分析模型，GUI操作方式的缺点就会有所显现。由于对于一个模型的分析经常需要多次的反复分析，当需要对修改后的模型进行分析时，若采用GUI操作方式就会出现大量的重复步骤。大量的计算时间被这些重复的工作占据，因此在这种情况下GUI操作方式就显得比较繁琐，效率也比较低。APDL参数化语言设计操作方式，可以自动地完成部分常规分析操作。它是一种依据参数化编程方式和操作命令来建立分析模型的脚本语言。智能分析，自动地完成多数GUI操作等都是APDL编写的脚本程序进行参数化建模的特点。特别的是APDL操作方式甚至能够符合GUI操作方式无法满足的要求。APDL操作方式可以分析属性和控制相关的设计，并允许输入复杂的数据。比如定义材料的属性、输入模型的尺寸、定义边界条件的位置、施加载荷和调整网格划分的密度等。通过APDL操作方式不仅能够为问题的计算与求解提供更加简单高效的手段，而且极大的扩展的有限元分析的范围。由于本次三维仿真模型的建立相对来说比较复杂，因此采用APDL操作方式。首先建立线圈的模型，定义线圈的匝数N=10，线圈的外径为0.102m，线圈的内径为0.1m，线圈的厚度为0.0035m，输入APDL命令流后得到的模型如图4.5所示： 图 4.5 定义线圈的模型 其次再建立管道的模型，定义管道的长度为1.5m，外径为0.65m，内径为0.52m，管道的埋深为0.5m，输入APDL命令流后得到的模型如图4.6所示： 图 4.6 定义管道的模型 最后，再建立土壤和空气的模型，定义空气层的高度为0.2m，定义土壤的模型为长1.5m，宽0.5m，高为0.75m的长方体，土壤将包裹在管道的周围。输入APDL命令流后，添加土壤后及最终建立的模型分别如图4.7、4.8所示： 图 4.7 添加入土壤后的模型 图 4.8 埋地金属管道模型4.3 三维仿真模型的网格划分在ANSYS有限元分析法中，计算时间和计算精度等因素决定所选取网格的大小。当所要求的单元越小，则网格的划分就越细，同时计算结果的精度也越高。尽管网格划分的越细计算得到的结果精度也越高，但由于网格单元数的急剧增加，由此所增加的计算量将会十分庞大，同时计算的时间也会延长。对于此次埋地金属管道的三维仿真模型采用的是自由划分和映射划分相互结合的方式。采用这种划分方式，一方面仿真计算时间减少了；另一方面，仿真的计算精度也得到了提高。在三维模型中，线圈和管道采用的是六面体网格，通过扫略方式生产体网格，40个节点被等分在线圈周长上，同时线圈的厚度方向也等分3个节点。管道的轴向选中四条直线，管道长为1.5m,在管道轴向方向每0.015m设置一个节点。为了减少计算时间，同时由于实际空气和土壤的结构比较复杂，空气和土壤均采用四面体网格进行自由网格划分，自由网格划分的划分等级为1。如图4.9、4.10、4.11分别是线圈的网格划分、管道的网格划分及整个埋地金属管道模型的网格划分方式： 图 4.9 线圈网格划分图 图 4.10 管道的网格划分图 4.11 埋地金属管道模型的网格划分4.3 施加载荷及边界条件诺依曼边界条件和狄利克莱边界条件是ANSYS分析软件中的两类边界条件。一般来说狄利克莱是作为约束条件被提出，它指的是磁力线与模型边界相互平行的条件，也叫做第一类边界条件。诺依曼边界条件指的是磁力线垂直于模型边界条件，也叫做第二类边界条件。对于此次埋地金属管道三维仿真模型中，仅仅在模型的外表面添加磁力线平行边界条件，即狄利克莱边界条件。（各条边界线上设置AZ=0）同时通过输入APDL命令流设置加载在线圈上的电压为12伏特。则施加载荷及边界条件以后的三维仿真模型如图4.12所示： 图 4.12 施加载荷及边界条件后模型图4.4 求解及后处理过程当线圈被加载上电压为12V的激励信号后，输入SOLVE命令后，线圈材料的每个单元节点上将被ANSYS自动加载12V的激励电压并开始计算。当所有求解完成后，再通过POST1通用后处理器查看激励电压关断前、关断后（t0.03001s为关断后）壁厚为13mm且埋深为0.5m的管道的磁通密度分布云图。不同时刻管道的磁通密度分布云图如下图所示。（图中不同的颜色代表不同磁通密度的大小，其中红色的表示数值最大，蓝色的表示数值最小。） t=0.015s t=0.03001s t=0.03825s t=0.06325s t=0.10001s 图4.13同一管道不同时刻磁通密度分布云图4.5 三维管道模型仿真结果分析 由图4.13金属管道管壁的磁通密度分布云图可以得知： (1) 在激励电压信号未关断之前，线圈正下方的管道管壁磁场强度较强，而管道两端管壁的磁场强度较弱，且在激励电压信号未关断之前这种状态都比较稳定。 (2) 激励电压信号关断初期，仍然是线圈正下方的管道管壁磁场强度较强，而管道两端管壁的磁场强度较弱。从激励电压信号关断中、后期的磁通密度分布云图可知，管道中间部分的磁场强度逐渐减小，磁场强度有向管道两端扩散的趋势，因此管道两端的磁场强度逐渐增大。最后，管道中间部分的磁场强度首先减少到最小，磁场大部分集中在管道的两端。4.6 不同壁厚的金属管道仿真结果分析管道腐蚀程度的不同主要表现在管道壁厚的不同，分别建立壁厚为10mm、13mm、16mm和18mm的三维仿真模型，分别计算在关断激励电压信号后的同一时刻（t=0.06325s)的磁通密度分布云图，如图4.14所示。由图中可以得知，在关断电压激励信号后，随着管道壁厚的增加，磁场强度由管道中间部分向管道两端扩散的速度也越来越快。 壁厚d=10mm壁厚d=13mm 壁厚d=16mm 壁厚d=18m图 4.14不同壁厚磁通密度分布云图 在完成上述个模型的ANSYS三维仿真后，通过POST26时间历程处理器计算出各个模型的线圈上的感应电流并导出所有计算出的电流值，再利用MATLAB将导出的线圈上的感应电流值转化为感应电压值，并画出图像，如图所示： 图4.15不同腐蚀程度的MATLAB图形 图4.16不同腐蚀程度放大后的图形 从上述的图形中可以看出，当管道的壁厚不相同但金属管道的外径相同时，线圈的瞬变响应曲线是可分的，管壁16mm的感应电压值衰减最慢，管壁为10mm的感应电压值衰减最快，而管壁为13mm的感应电压值的衰减速度处于上述两者之间。即腐蚀程度越大的管道，感应电压值的衰减速度越快。5 总结 本文研究了金属管道瞬变电磁检测的有限元分析，所做的工作总结如下：（1） 理论准备。针对所研究的课题，了解熟悉了瞬变电磁检测的发展及研究现状和埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势。通过学习研究瞬变电磁法检测埋地金属管道技术以及ANSYS仿真原理，为金属管道瞬变电磁检测的有限元分析做好准备。（2） 仿真实验。首先通过GUI操作方式与APDL命令流相互结合的方式，建立了包含有空气、线圈、土壤和管道的埋地金属管道的三维仿真模型；其次，将12V的电压激励信号加载在线圈上，利用ANSYS通用后处理器计算出激励电压信号关断前后不同时刻金属管道的磁通密度分布云图。最后，比较了激励电压信号关断后壁厚分别为10mm、13mm、16mm和18mm在同一时刻的磁通密度分布云图以及不同腐蚀程度的管道的瞬变感应电压值变化曲线。（3） 依据仿真实验可以得出：一方面，在激励电压信号关断的初期，线圈正下方的管道管壁的磁场强度较强，并有向管道两端扩散的趋势。管道中间部分的磁场强度下降较快，最后，管道中间部分的磁场强度最弱，磁场大部分集中在管道的两端；另一方面，当埋深、所加激励信号等条件一致而只有壁厚不同时，随着壁厚的增加，磁场向管道两端扩散的速度也越来越快；金属管道埋深等条件相同、且只有壁厚不相同同时，感应电压曲线的尾支显然是可分的，且当腐蚀程度越大（管壁越薄）感应电压的衰减速度越快。参考文献1 冷元宝等.我国堤坝隐患及漏磁探测技术现状及展望J.水利水电科技进展，2002，22（2）：